THE PERTURBATION FINITE ELEMENT METHOD FOR SOLVING THE PLANE PROBLEM IN CONSIDERATION OF LINEAR CREEP

In this paper, amethod (PFMC) for solving plane problem of linear creep is presented by using perturbation finite element. It can be used in plane problem in consideration of creep, such as reinforced concrete beam, prestressed concrete beam, reinforced concrete cylinder and reinforced concrete tunnel in elastic or visco-elastic medium, as well as underground building and so on. In the presented method, the assumption made in the general increment method that variables remain constant in a divtded time interval is not taken. The accuracy is improved and the length of time step becomes larger. The computer storage can be reduced and the calculating efficiency can be increased. Perturbation finite element formulae for four-node quadrilateral isoparametric element including reinforcement are established and five numerical examples are given. As contrasted with the analytical solution, the accuracy is satisfactory.     

爆炸荷载作用下大跨预应力混凝土框架动力响应分析

为了研究预应力混凝土(prestressed concrete, PC)框架结构的抗爆性能,利用有限元软件LS-DYNA对一栋3层2跨的大跨有/无黏结PC框架结构在不同比例距离的外部远爆荷载作用下的动力响应进行了分析。分析结果表明：混凝土预应力框架在地表远爆荷载作用下,最大层间位移角与前墙所受峰值反射超压近似成线性关系;有黏结混凝土预应力框架结构层间位移角相较于无黏结混凝土预应力框架更小,损伤分布更均匀,结构抗爆性能更好;基于分析结果,给出了不同比例距离对应的损伤状态,可用于对混凝土预应力框架结构进行爆炸损伤状态快速评估。

     

基于FOSM法的预应力钢桁架系统可靠性分析

基于一次二阶矩法(FOSM)建立了索张拉预应力钢桁架任意单元失效模式可靠性指标的计算模型,并分别根据点估计法和窄界限法得到了整体结构失效概率的计算公式,随机内力统计特性-均值和标准差则根据随机摄动理论确定.该计算模型中的基本随机参数包括任意折线索单元和桁架单元的截面面积 (或综合刚度) 、张拉钢索的预拉力、外荷载及弹性约束刚度等.利用本文计算模型编写的计算程序对工程中普遍采用的结构形式进行了可靠性分析,并对影响结果的有关参数进行了讨论,为索张拉预应力钢结构整体可靠性设计奠定了一定的基础.分析表明,窄限法得到的整体可靠性指标与点估计法(PNET)所确定的基本一致, 这是因为本文计算模型中各失效模式间的相关系数较小之故.此外,随机变量的相关性对预应力钢结构不同阶段可靠性指标有不同的影响,其中加载阶段影响更大.     

超弹性NiTi合金丝动力特性试验及本构模型研究

形状记忆合金(SMA)是一种兼具感知和驱动功能的功能材料,因其独特的形状记忆效应、超弹性和高阻尼等特性,成为土木工程结构振动控制的理想材料.论文研究了超弹性NiTi丝的动力特性和应变率相关的本构模型.试验测试了NiTi丝在不同应变率下的力学性能,建立了应力增量与应变率的关系方程.在试验的基础上,提出了改进的SMA本构模型,新模型能够描述SMA应变率相关特性,并通过仿真结果和试验结果的比较,验证模型的正确性和适用性.研究结果表明:动力荷载下,NiTi丝每循环耗散能量、割线刚度和等效阻尼比在开始阶段均快速增大,当应变速率大于1.0×10-3/s后,趋于平缓;数值结果和试验结果吻合较好,改进模型在一定程度上可以描述NiTi丝应变率相关的动力特性.     

核电厂安全壳施工和运行阶段应力分析

核反应堆安全壳是确保核电厂安全的关键设施,同时也是防止放射性物质扩散的最后一道屏障.基于法国电力集团(EDF)进行的缩尺比例为1/3的无钢衬里安全壳Benchmark试验模型,应用大型通用有限元软件ABAQUS建立了其有限元模型.有限元模型中混凝土、普通钢筋和预应力筋采用分离式建模;通过在预应力筋单元上加预拉应力的方法考虑了预拉应力的作用.分析了该有限元模型在预应力张拉过程以及0.52MPa的绝对内压下的受力性能,重点研究了模型穹顶和圆柱形筒壁的内外表面在这两种工况下的拉应力分布.分析表明,该安全壳模型在两种工况下基本处于受压状态,拉应力集中的区域是预应力筋分布稀疏或预应力值较小的区域,预应力筋良好的起到了防止混凝土受拉的作用,能够满足设计要求;危险部位是穹顶与环梁连接处、洞口周边、筒壁底部、筒壁和基础底板相接处.     

应力约束下预应力平面实体钢结构拓扑优化设计

对预应力平面实体钢结构拓扑优化设计问题进行研究,建立了以索力值、单元尺寸和结构拓扑为设计变量,以应力为约束条件,以结构重量最小为目标函数的数学优化模型.在求解方法上,首先以满应力设计准则法建立索力值与结构重量之间的优化模型,通过该模型的求解确定索力值,并通过满应力设计选取单元尺寸,然后对单元体厚度按闻值进行分类,从而删除低厚度单元实现结构的拓扑优化.算例结果与预应力钢结构理论相吻合,表明本文所提出的方法是有效的,可为预应力钢结构体系创新提供理论方法.     

空间预应力钢束平滑建模及张拉过程模拟方法

提出一种空间预应力钢束连续平滑模型的建立方法,以及提出考虑钢束与孔道之间摩擦、滑移等相互作用的张拉过程模拟方法。基于空间预应力钢束为一条柱面相贯线的本质特性,采用辅助实体相贯的方法建立其连续平滑模型;通过建立孔道实体并与主梁进行布尔运算,实现孔道轴线与钢束节点的一一对应;采用法向点-点接触单元模拟摩擦滑移;采用预紧单元模拟张拉。分析表明:辅助实体相贯法建立的连续平滑模型优于传统空间坐标合成法建立的空间折线模型;采用接触单元与预紧单元组合模拟张拉过程,可反映钢束节点与混凝土内部节点之间的摩擦、滑移等非线性效应,钢束呈整体受力状态,优于传统的初应变法。     

全预应力混凝土板长期挠度的计算

文本考虑了混凝士收缩、蠕变和钢筋松弛的相互影响,用拟协调元法进行预应力混凝土双向板的挠度计算,编制成电算程序,并给出了算例。     

框架预应力锚杆边坡支护结构的稳定性分析方法及其 应用

以边坡极限平衡理论及框架预应力锚杆边坡支护结构的圆弧滑动破坏模式为基础,在考虑框架、锚杆对土体边坡稳定性影响的情况下,基于圆弧滑动条分法的思想利用积分法建立了内部稳定性安全系数计算模型和最危险滑移面搜索模型。确定滑移面圆心坐标为几何控制参数,推导了安全系数计算模型中各变量与滑移面圆心坐标之间的函数关系式,从而获得了滑移面几何控制参数与内部稳定性安全系数之间的函数关系。利用网格法对框架预应力锚杆支护结构最危险滑移面的圆心坐标进行动态搜索和求解。最后采用Matlab语言编制了框架预应力锚杆边坡支护结构的稳定性分析程序,并结合工程实例进行了验算,讨论了此种方法的适用条件,结果表明该方法简明适用,较传统的经验分析方法更加合理。     

仿青蛙机器人跳跃之力学分析与轨迹优化

目前,相比传统的轮式机器人,离散性运动的跳跃机器人具有更好的移动性能,得到了广泛的应用.本文从仿生学角度出发,选择具有优秀跳跃性能和合理运动结构的青蛙作为研究对象,建立了平面连杆机构仿青蛙机器人跳跃模型.在该模型的基础上,建立了仿青蛙机器人起跳阶段的运动学和动力学模型,得到了起跳阶段机器人各关节力矩与各关节运动轨迹,质心速度,质心加速度间的关系.结合遗传算法,对机器人在起跳阶段的跳跃轨迹进行了优化.在此基础上,从能量角度出发,对机器人在腾空阶段的跳跃轨迹进行了优化,得到了机器人最佳的跳跃轨迹.结合Matlab仿真分析,验证了方案的正确性和可行性.     

泡沫铝内衬对抗内部爆炸钢筒变形的影响

为提高承受内部爆炸载荷钢筒的抗爆性能,研究了泡沫铝内衬对钢筒变形的影响。首先通过对比实验,发现在本文的实验条件下,泡沫铝内衬导致钢筒变形增大,甚至发生了严重的破坏;进而建立有限元模型,研究了钢筒变形随爆炸当量、泡沫铝内衬厚度的变化机理和规律。结果表明,添加足够厚度的泡沫铝内衬能够减小钢筒变形,但泡沫铝厚度不足时,则可能起到相反的效果。对于固定尺寸的含泡沫铝内衬钢筒,随着爆炸当量增加,泡沫铝内衬对钢筒塑性变形的影响主要包含3种模式。模式1,泡沫铝可通过塑性变形吸收爆炸载荷,从而减小钢筒变形。模式2,泡沫铝内衬导致钢筒承受的载荷强度增大,钢筒塑性变形增大。模式3,泡沫铝对载荷强度的影响可忽略,泡沫铝通过增大结构质量减小钢筒塑性变形。

     

基于能量守恒理论的带肋钢筋-混凝土粘结滑移本构关系研究

针对钢筋-混凝土粘结滑移的劈裂破坏模式,将整个破坏过程分为未开裂的弹性阶段和带裂缝阶段。弹性阶段采用弹性厚壁圆筒模型,带裂缝阶段采用考虑混凝土软化特性的厚壁圆筒模型。基于这两种模型,研究了粘结滑移劈裂破坏过程的能量变化规律,推导出了两种模型的能量计算公式。利用能量守恒定律建立了钢筋-混凝土粘结滑移本构关系的微分方程,并通过数值积分方法得到了粘结滑移本构模型。该本构模型能够体现混凝土与钢筋材料参数和几何参数的影响,对不同形状的粘结滑移关系曲线具有较好的适应性。最后,将得到的本构关系与文献的试验结果进行对比,并分析了各参数的变化规律。     

模拟酸雨腐蚀下预应力混凝土梁的抗弯性能研究

为了探讨酸雨腐蚀环境对预应力混凝土梁抗弯性能的影响,制作了8根预应力混凝土梁,从混凝土强度等级、预应力度和钢绞线腐蚀率等方面,进行8根预应力混凝土梁的三分点静载试验。试验结果及分析表明,混凝土强度对屈服后试验梁的抗弯性能影响较大,对弹性阶段的刚度影响较小;随着预应力度的增加,试验梁的开裂荷载逐渐增大,进入裂缝阶段后,刚度下降速度逐渐加快;钢绞线腐蚀率越大,试验梁的极限抗弯承载力越低;腐蚀率在一定范围内（>3.22%）,随着腐蚀率的增大,预应力混凝土梁试件的开裂弯矩、屈服弯矩和极限弯矩明显降低。根据试验结果,提出了模拟酸雨环境下预应力混凝土梁试件抗弯承载力的计算方法,同时采用ANSYS软件对预应力混凝土梁进行非线性有限元分析,将试验梁的计算值和模拟值与试验值进行比较,均吻合较好。     

Analytical solutions for finite cylindrical dynamic cavity expansion in compressible elastic-plastic materials

Analytical solutions for the dynamic cylindrical cavity expansion in a com-pressible elastic-plastic cylinder with a finite radius are developed by taking into account of the effect of lateral free boundary, which are different from the traditional cavity expan-sion models for targets with infinite dimensions. The finite cylindrical cavity expansion process begins with an elastic-plastic stage followed by a plastic stage. The elastic-plastic stage ends and the plastic stage starts when the plastic wave front reaches the lateral free boundary. Approximate solutions of radial stress on cavity wall are derived by using the Von-Mise yield criterion and Forrestal’s similarity transformation method. The effects of the lateral free boundary and finite radius on the radial stress on the cavity wall are discussed, and comparisons are also conducted with the finite cylindrical cavity expansion in incompressible elastic-plastic materials. Numerical results show that the lateral free boundary has significant influence on the cavity expansion process and the radial stress on the cavity wall of metal cylinder with a finite radius.     

45钢柱壳爆炸膨胀断裂的SPH模拟分析

金属柱壳爆炸膨胀断裂存在拉伸、剪切及拉剪混合等多种断裂模式,目前其物理机制及影响因素还不清晰。本文中采用光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）对45钢柱壳在JOB-9003及RHT-901不同装药条件下的外爆实验进行了数值模拟,探讨柱壳在不同装药条件下发生的剪切断裂、拉剪混合断裂模式及其演化过程,模拟结果与实验结果一致。SPH数值模拟结果表明:在爆炸加载阶段,随着冲击波在柱壳内、外壁间来回反射形成二次塑性区,沿柱壳壁厚等效塑性应变演化呈凸形分布,壁厚中部区域等效塑性应变较内、外壁大;在较高爆炸压力（JOB-9003）作用下,柱壳断裂发生在爆轰波加载阶段,损伤裂纹从塑性应变积累较大的壁厚中部开始沿剪切方向向内、外壁扩展,形成剪切型断裂模式;而在RHT-901空心炸药加载下,虽然裂纹仍从壁厚中部开始沿剪切方向扩展,但随后柱壳进入自由膨胀阶段,未断区域处于拉伸应力状态,柱壳局部发生结构失稳,形成类似“颈缩”现象,裂纹从剪切方向转向沿颈缩区向外扩展,呈现拉剪混合断裂模式。拉伸裂纹占截面的比例与柱壳结构失稳时刻相关。可见,柱壳断裂演化是一个爆炸冲击波与柱壳结构相互作用的过程,不能简单将其作为一系列膨胀拉伸环处理。     

自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

本文提供了自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析的方法和公式,自增强残余应力用符合厚壁筒用钢具有强化和包辛格效应实际性能推得的公式进行计算,残余应力对应的应力强度因子的计算采用了有限元法,得到了工作内压与自增强残余应力共同作用下的厚壁筒应力强度因子公式,通过实验测定了厚壁筒用钢的断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率等性能。     

Mechanical behavior and wrinkling of lined pipes

The paper focuses on wrinkling of lined pipes (sometimes referred to as clad pipes) under bending loading, where a corrosion-resistant thin-walled liner is fitted inside a carbon–steel outer pipe. The problem is solved numerically, using nonlinear finite elements to simulate liner pipe deformation and its interaction with the outer pipe. Stresses and strains are monitored throughout the deformation stage, detecting possible detachment of the liner from the outer pipe and the formation of wrinkles. The wrinkling behavior of elastic and elastic–plastic (steel) lined pipes under bending is examined. The results indicate that the lateral confinement of the liner pipe due to the deformable outer pipe and its interaction with the outer pipe has a decisive influence on the wrinkling behavior of the lined pipe. It is also shown that the behavior is characterized by a first bifurcation in a uniform wrinkling pattern, followed by a secondary bifurcation. The values of corresponding buckling curvature are determined and comparison with available experimental results is conducted in terms of wrinkle height development and the corresponding buckling wavelength. The results of the present research can be used for safer design of lined pipes in pipeline applications.     

线起爆膨胀柱壳实验加载及诊断技术

基于电爆炸丝引爆炸药、继而驱动尼龙对金属柱壳进行碰撞加载的方式,在金属柱壳中部、半柱高范围内实现了一维柱面膨胀加载。同时,基于沿轴向的加载（或径向速度）一致性和沿环向的加载（或径向速度）轴对称性,提出了一维柱面加载的有效性判据。相比于滑移爆轰加载,一维柱面加载方式具有应力状态相对简单、易简化为二维轴对称问题分析的优点。在柱壳断裂诊断方面,建立了分布式表面速度诊断方法来监测柱壳圆周范围内的初始断裂。其原理为：均匀承载壳体断裂引起的局部承载失效将导致均匀速度曲线簇出现分叉（或演化趋势变化）。与高速分幅照相诊断方法相比,分布式表面速度诊断方法可准确获取柱壳圆周范围内的初始断裂信息（含断裂时刻和断裂位置）。利用建立的线起爆膨胀柱壳实验加载和诊断技术,获得了304钢和45钢柱壳的一维柱面动态拉伸初始断裂性能数据（含断裂应变、平均应变率）,其中,45钢柱壳的断裂应变（或延展性）低于304钢柱壳的。

     

Rotating Variable-thickness Orthotropic Cylinder Containing a Solid Core of Uniform-thickness

This paper presents accurate elastic solutions for the rotating variable-thickness and/or uniform-thickness orthotropic circular cylinders. The present circular cylinder may contain a uniform-thickness solid core of rigid or homogeneously isotropic material. Different cases of rotating cylinders of various cores are investigated. These cylinders include completely isotropic solid cylinder, uniform-thickness orthotropic cylinder containing an isotropic core, variable-thickness orthotropic cylinder containing an isotropic core, uniform-thickness orthotropic cylinder containing a rigid core, and variable-thickness orthotropic cylinder containing a rigid core. For all cases studied, exact elastic solutions are obtained and numerical results are presented. The results include the radial, hoop, and axial stresses and radial displacement of the five cylinder configurations. The distributions of displacement and stresses through the radial direction of the rotating cylinder are obtained and comparisons between different cases are made at the same angular velocity.     

周向导波在空心圆柱体中传播的数值模拟研究

在石油、化工、食品和城市供水等行业,由于腐蚀等原因而引起泄漏事故,造成巨大的经济损失和资源浪费.因此,能够预先检测到管道缺陷避免事故发生显得十分重要.基于弹性动力学理论,利用Matlab编程实现周向导波在空心圆柱体中传播的数值模拟.利用特征函数展开法计算出周向导波的频散曲线及0.6MHz和1MHz各个模态的时域波形图并据此分析激励方式同周向导波传播的关系,频率为1MHz或0.6MHz时,1和2模态在空心圆柱壳中传播的周向导波中处于主导地位:各模态的径向或周向位移幅度会受到激励入射角的影响而变化并且周向导波的位移幅度随着激励入射角的增加而增加:得到特定频率下,周向导波各模态径向、周向位移的变化关系.本文结果为进一步利用实验方法研究周向导波在空心圆柱体中传播特性和缺陷检测奠定了基础.